과학은 어렵지만 양자 역학은 알고 싶어

1시간 만에 쉽게 이해하는
양자 역학의 세계!
《과학은 어렵지만 양자 역학은 알고 싶어》는 수학과 물리를 학원 선생님처럼 알기 쉽게 설명하며 인기를 얻은 일본의 인기 유튜버 요비노리 다쿠미의 4번째 책으로, 전작 《과학은 어렵지만 상대성 이론은 알고 싶어》에 이어 누구나 쉽게 양자 역학의 세계를 1시간 만에 이해할 수 있도록 초보자의 질문에 알기 쉽게 답하는 구성으로 정리한 책이다.
양자 역학은 미시적인 물질세계를 설명하는 현대 물리학의 기본이론으로 고전 물리학에 익숙한 사람들에게는 여전히 낯설고 어렵게 느껴진다. 하지만 최근 '양자 컴퓨터'나 '양자 전송' 같은 말을 뉴스에서 자주 듣게 될 정도로 스마트폰이나 컴퓨터의 개발 등에 양자 역학의 지식이 당연하다는 듯이 활용되면서 주목받고 있다. 이 책에서는 그런 친근한 예를 소개하면서 수식을 전혀 사용하지 않고도 양자 역학의 본질을 맛볼 수 있도록 대화식으로 쉽고 재미있게 설명했다. 이 책을 읽고 나면 누구나 양자의 세계에 호기심이 생기며 더 깊이 있게 탐구해 보고 싶어질 것이다.

양자 역학은
'미시 세계'의 물리학이다
양자 역학은 19세기에 이미 완성된 역학, 전자기학, 열역학 같은 고전 물리학으로는 설명하기 어려웠던 엄청나게 작은 '미시 세계'의 물리 현상들의 원인을 파고든 결과 눈에 보이지 않을 만큼 작은 미시 세계의 움직임에 영향을 받는다는 사실을 알게 되면서 탄생했다. 양자 역학은 상대성 이론처럼 우리에게 경험적으로 친숙한 고전 물리학의 규칙이 뒤집히며 도저히 믿기 힘든 결과를 낳는 경우가 많다. 그렇기 때문에 이 세계에서 일어나는 일들을 새로운 관점에서 바라보는 계기가 될 수 있다. 양자 역학의 주요한 4가지 포인트는 다음과 같다.
첫째, 물질은 입자와 파동의 성질을 함께 지니고 있다.
둘째, 관측하기 전까지는 실재를 생각하지 않는다.
셋째, 위치와 속도는 동시에 결정되지 않는다.
넷째, 에너지의 벽을 통과한다.

까다로울 것만 같은 양자의 세계에
한 걸음 더 다가갈 수 있게 도와주는 책
물질의 '입자'와 '파동'은 누가 보더라도 명백히 다른 상태이다. 그러나 양자 역학이 다루는 미시 세계에서는 어떨 때는 입자가, 어떨 때는 파동의 성질을 보이는 신기한 현상이 관측된다. 이러한 입자와 파동의 두 가지 특징을 지니는 것을 '양자'라고 부른다. 또한 양자는 관측하기 전까지는 가능성이 넓게 펼쳐져 있지만, 관측을 시작하면 가능성이 한 점으로 결정되는 '비실재성'의 성질도 지니고 있다. 즉 관측이 결과에 영향을 끼치는 것이다. 한편 고전 물리학의 세계와 달리 물질의 위치와 속도가 동시에 결정되는 상태가 될 수 없으며(불확정성), 믿기 힘들지만 입자가 에너지의 벽을 통과하는 현상(터널 효과)도 벌어진다. 한쪽의 상태가 확정되면 다른 쪽의 상태도 확정되는 '양자 얽힘'의 관계도 양자의 세계를 설명하는 주요 원리 중 하나다. 이 책에서는 복잡한 수식 없이도 다양한 상황과 그림 등을 이용하여 양자 역학의 원리들을 알기 쉽게 설명하고 있다.

이미 일상에서 이용되고 있는
양자 역학의 원리
쉽게 이해하기 어렵고 믿기 힘든 양자 역학의 이러한 원리들은 의료 분야의 MRI나 제조 분야의 레이저 기술 등에서 이미 이용되고 있다. 0과 1의 가능성이 중첩된 상태인 양자 비트를 이용한 '양자 컴퓨터'나 양자 얽힘을 이용한 정보 전달 기술인 '양자 전송' 등이 바로 대표적인 사례이다. 이처럼 우리의 일상생활과 밀접하게 관련이 있지만 여전히 우리는 양자적인 효과를 실감하지 못하고 있다. 이는 거시 세계의 물리 법칙과 미시 세계의 물리 법칙이 어떻게 연결되어 있고 그 경계는 어떻게 이루어져 있는지 아직 밝혀내지 못했기 때문이다. 그렇지만 양자 역학은 우리가 지금 살아가고 있는 세계의 진실에 가장 가까운 것만은 분명하다. 양자 역학의 어려운 개념을 가볍게 정리한 이 책은 양자 역학에 본격적으로 더 깊이 공부하는 계기를 만들어주는 흥미로운 책이 될 것이다.

감수의 글
머리말

HOME ROOM 1 수식 없이도 양자 역학을 이해할 수 있다!
HOME ROOM 2 양자 역학은 새 시대의 필수 교양!
HOME ROOM 3 '미시 세계'의 물리학
HOME ROOM 4 '미시 세계'에서는 물리 법칙이 달라진다
HOME ROOM 5 양자 역학을 공부하는 의미
HOME ROOM 6 양자 역학의 4가지 포인트

제1장 양자 역학에서 중요한 '파동'의 개념
LESSON 1 물리학의 '파동'은 어떤 것일까?
LESSON 2 파동의 성질① '회절'
LESSON 3 파동의 성질② '간섭'

제2장 '이중성'이란 무엇일까?
LESSON 4 '빛'은 입자일까, 파동일까?
LESSON 5 입자와 파동의 '이중성'
LESSON 6 '파동'을 통해서 전자의 존재 확률을 생각한다

제3장 '보면' 결과가 달라진다?
LESSON 7 '관측'이 '결과'에 영향을 끼친다

제4장 '터널 효과'란 무엇일까?
LESSON 8 양자 역학의 '터널 효과'
LESSON 9 '터널 효과'와 태양의 관계

제5장 '불확정성'이란 무엇일까?
LESSON 10 슈테른-게를라흐 실험①
LESSON 11 슈테른-게를라흐 실험②
LESSON 12 양자 역학의 '불확정성'

제6장 '양자 얽힘'이란 무엇일까?
LESSON 13 멀리 떨어져 있어도 보이지 않는 실로 이어진 관계

제7장 양자 역학을 이용한 신기술
LESSON 14 양자 컴퓨터
LESSON 15 양자 전송
LESSON 16 일상생활에서 '양자적인 효과'를 실감하지 못하는 이유

요비노리 다쿠미 ヨビノリたくみ
도쿄대학교 대학원을 졸업했다. 박사 과정에 진학하면서 그때까지 6년 동안 계속했던 입시 학원 강사를 그만둔 뒤, 많은 사람에게 과학을 알리기 위한 활동의 일환으로 유튜브 채널 '요비노리'를 개설하기로 결심했다. 학창 시절에는 이론 물리학을 전공했으며, 학부에서는 '물리화학', 대학원에서는 '생물물리'를 연구했다. 대학교 수준의 수학과 물리학을 중심으로 한 이과 과목 강의 동영상을 올리는 유튜브 채널 '입시 학원의 분위기로 공부하는 대학교 수학ㆍ물리학'(약칭 요비노리)은 68만 명 이상이 구독하고 있으며, 조회수도 누계 1억 회를 돌파했다. 저서로는 《수학은 어렵지만 미적분은 알고 싶어》, 《과학은 어렵지만 상대성 이론은 알고 싶어》, 《수학은 어렵지만 확률ㆍ통계는 알고 싶어》(이상 한스미디어) 등이 있다.